地震波反射法在隧道超前地质预报中的应用1.doc

地震波反射法在隧道超前地质预报中的应用四川公路桥梁建设集团有限公司三分公司 缪成银 秦亮 郑宏 【摘 要】基于地震波反射法超前地质预报基本原理，采用TGP206型超前地质预报仪对广南高速公路某隧道掌子面前方的围岩条件进行了预报，确定了掌子面前方围岩的基本物性参数、反射界面基本位置、分布特征等，指出了围岩条件显著变化里程。预报成果可为施工方进行设计变更及制定合理的施工措施提供重要参考。【关键词】公路隧道；TSP（Tunnel Seismic Prediction）；超前地质预报1、工程概况广南高速公路某隧道工程主要是以薄层中厚层水平围岩为主,岩石为泥质胶结,层间结合很差,而且高速公路隧道断面跨度大,软弱水平岩层对隧道拱顶稳定性影响更加突出。这种围岩不仅影响隧道的开挖质量，而且对于隧道围岩的稳定性、支护安全及衬砌结构的长期受力等均造成很大影响。为了探明该隧道掌子面前方围岩情况，判断围岩级别发生显著变化的具体里程，特对该隧道右线YK87+490YK87+290范围内的围岩条件进行长距离超前地质预报。目前，国内公路隧道行业普遍采用TSP地震波法对前方围岩的基本情况进行长距离预测预报，并且取得了积极的成果345。本文基于TSP地震波反射法超前地质预报的基本原理，采用TGP206超前地质预报仪在该隧道出口右线进行了超前地质预报，预报成果可为施工方进行设计变更及制定合理的施工措施提供重要依据，也可以为其它地区在类似地层条件下修建公路隧道提供参考，具有重要意义。2、TSP超前地质预报基本原理2.1 检测原理TSP（Tunnel Seismic Prediction）法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。工作中结合相关的地质资料和施工地质工作，总结预报经验可以提高预报的准确性。2.2 测线布置通常在隧道开挖掌子面后方同一水平线上布置24个等间距炮孔，炮孔间距通常为2.0m，炮孔内装小药量炸药做为地震波震源。地震波接收器也安置在与激发孔同一水平线上的后方接收孔中，接收孔与激发孔最近的距离一般取为20m，激发孔距掌子面最近的距离一般为5m-10m，如图1所示。图1 TSP钻孔布置平面示意图2.3 设备简介在TSP超前地质预报中，使用的仪器为TGP206型隧道地质超前预报系统，该系统由北京市水电物探研究所最新研制，具有国际先进技术水平。为了得到好的地震波，激发孔爆破时通常采用水封的方式。激发孔在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。激发孔装药量一般控制在5070克，采用计时线炸断的触发方式。接收孔中三分量检波器与围岩之间采用黄油耦合。2.4 预报成果解释基本原则采集的TSP数据，通过TGPwin软件进行处理、获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则：正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若S波反射较P波强，则表明岩层含水；左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则；纵横波资料对比，以纵波资料为主的原则。3、预报成果及解释3.1 检测孔布置该隧道进行TSP超前地质预报时，掌子面位于YK87+490里程处，激发孔距掌子面最小距离为8m，24个激发孔间距为2m，激发孔里程为YK87+544YK87+492，炮孔高度1.1m。在YK87+564里程处洞壁风钻孔中布置预报接收检波器，该接收孔距掌子面74m，与激发孔的最近距离为20m。3.2 预报成果（1）检波器原始记录同侧检波器三分量原始记录如图2所示。图2 检波器三分量原始记录（2）围岩波速及反射截面分布已开挖段的测试结果为：围岩纵波波速为4960m/s，横波（Vs）速度为2280m/s；动泊松比为0.366。以上结果表明，已开挖段的围岩条件较好，围岩波速较高，属硬质岩范畴。基于已开挖区段的测试结果，可以推得前方围岩的弹性波速分布、反射强度和反射界面情况，如图3和图4所示。可以看出，前方围岩纵波存在较强的负反射，反射界面较多；横波为较弱的正反射，且反射截面少。图3 围岩波速分布情况 (a)反射界面侧视图 (b)反射界面俯视图图4 反射截面分布情况（3）纵波横波偏移及衰减图测试得到的纵波、横波偏移及衰减情况如图5所示。从这里也可以看出，前方围岩纵波有较强的负反射，横波为较弱的正反射。 (a)纵波偏移成果 (b)横波偏移成果图5 纵波及横波偏移及衰减成果3.3 预报成果综合分析隧道地震波检测原始记录，分离后的纵横波（P、SH、SV）记录，以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图，预报成果的解释如表1所示。表1 预报成果解释序号里 程长度（m）推 断 结 果1YK87+490-YK87+47515m岩体与当前掌子面相同，岩体较硬，层间结合良好。2YK87+475-YK87+42055m纵波出现多次强烈的负反射，横波为较弱的正反射；纵波波速减小，岩体变软；各种结构面较发育，完整性较差，裂隙张开度大。3YK87+420-YK87+41010m纵波出现正反射，波速增大，岩体相对变硬，岩层间结合较前段有好转。4YK87+410-YK87+290140m纵波再次出现强烈的负反射，波速减小，岩体变软，各种结构面较发育，完整性较差，裂隙张开度大，属于软质岩石。4、预报结论及建议可以得出以下结论和施工建议：（1）在YK87+490-YK87+475里程，在围岩物性与以开挖区段大致相同，围岩条件较好，岩土较硬，掌子面自稳能力强，可按序施工。（2）在YK87+475里程以后，纵波出现多次强烈的负反射，纵波波速迅速减小，进入软质岩范畴。其中虽夹有部分硬质岩层，但总的来说围岩完整性较差，且各种结构面发育，裂隙张开度大。即可以认为该里程以后的围岩进入下一级围岩范畴，建议进行设计变更，以适应新的围岩条件要求。由于物探方法的间接性，因此在隧道施工期间针对地质超前预报结论，做好施工地质工作，记录隧道围岩和掌子面岩体的地质变化。不断地将预报结果与开挖后掌子面前方围岩的实际情况进行对比，从而不断积累预报经验，完善和改进预报检测方法。参考文献：1 唐建华,李学东.TSP203超前地质预报在朱家岩隧道中的应用研究J.公路交通科技(应用技术版)